CN101948170B - 一种琼脂凝胶颗粒及其在水源水生物脱氮工艺中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种琼脂凝胶颗粒及其在水源水生物脱氮工艺中的应用。该琼脂凝胶颗粒包括的组分的重量份数为：琼脂5～10份，海藻酸钠1份，陶粒5份和水100份。其应用为受硝酸盐污染的水源水由琼脂凝胶反应器底部进入，经过琼脂凝胶颗粒填料床后从溢流堰流出，首先利用水源水中的微生物进行自然接种，系统启动后再进行水源水生物反硝化和曝气生物滤池的处理。本发明具有琼脂凝胶颗粒成分简单、制备容易，系统适应性强、运行稳定，可获得90％以上的硝酸盐氮去除率及超过300mg/(L·d)的硝酸盐氮容积去除负荷，不产生二次污染等优点，克服了现有水源水生物脱氮工艺硝酸盐氮去除率不高、水力停留时间长、碳源投加量不易控制等缺点。
Description
技术领域
本发明属于环境工程水处理领域，涉及去除水源水中硝酸盐的方法，具体涉及一种琼脂凝胶颗粒及其在受硝酸盐污染的水源水生物脱氮工艺中的应用。
背景技术
农业氮肥、畜禽排泄物的施用，生活污水和含氮工业废水的不适当处理和排放，固体废弃物的淋滤下渗，污水的回灌以及酸雨等的影响，使得水源水尤其是地下水中硝酸盐浓度上升而成为主要污染物。硝酸盐本身对人体没有危害，但在人体内可经硝酸盐还原菌作用变成亚硝酸盐，会引起高铁血红蛋白症，或形成致癌物质亚硝基胺或其化合物使消化器官致癌，对人体健康构成威胁。
硝酸盐的去除技术大体可分为物理化学技术和生物技术两类。物理化学技术包括离子交换树脂法、膜分离法(反渗透膜法、电渗析膜法)和化学反硝化(活泼金属催化还原法)等。生物技术是利用自然界氮素循环中的一个重要生物过程-反硝化作用来去除硝酸盐，并且由于生物反硝化脱除水中的硝酸盐较为彻底，因此将生物脱氮技术应用于去除水源水中的硝酸盐受到广泛关注。
根据生物反硝化所需碳源的不同，生物反硝化分为自养反硝化和异养反硝化。自养反硝化是以CO3 2-等无机碳作为碳源，由于自养菌生长繁殖较慢，故脱氮速率较低，所需的成本较高，实用价值较低。异养反硝化是以有机质为碳源与反硝化电子供体，传统的异养反硝化投加的碳源包括甲醇、乙酸等，由于在使用时容易过量，进而影响出水水质。因此，水务工作者针对水源水生物脱氮所用的固体碳源做了较多的研究，以麦秆、麦草、纸、棉花、芦苇、甲壳素、可生物降解多聚物(BDPs)以及聚乳酸等作为反硝化固体碳源的研究已见报道，但上述碳源在使用都存在着一定的不足。Aslan等的研究显示在以麦杆为碳源时，需要较长的HRT(56.85h)，出水COD在50～100mg/L；邵留等以麦草为碳源的研究表明，达到理想的反硝化效果同样需要较长的HRT；金赞芳等研究以纸为碳源时，结果表明系统启动复杂，也需要相对较长的HRT(9.8h)，反硝化出水经活性炭吸附处理后最终出水DOC＜11mg/L；Mary等利用甲壳素为碳源时，同样需要较长的HRT(16.2h)；周海红等利用BDPs为碳源时，利用活性污泥启动反应器，碳源释放不稳定，受生物膜的制约；范振兴等研究以聚乳酸为碳源的结果显示反应器启动需要较长时间，形成的生物膜不够稳定，反硝化受温度影响较大，同时亦需要较长的HRT(13h)。
目前固体碳源水源水生物脱氮技术主要存在以下缺点：(1)硝酸盐氮去除率不高；(2)硝酸盐氮容积去除负荷不高；(3)需要较长的水力停留时间(HRT)；(4)有机质释放不够稳定，出水存在有机二次污染的风险；(5)系统运行不够稳定。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种琼脂凝胶颗粒，作为缓释固体碳源和微生物载体。本发明的另一目的是提供其在受硝酸盐污染的水源水生物脱氮工艺中的应用。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种琼脂凝胶颗粒，包括以下重量份数的各组分：琼脂5～10份，海藻酸钠1份，35～60目陶粒5份和水100份。
一种制备上述的琼脂凝胶颗粒的方法，包括以下步骤：
(1)称取各组分，将琼脂、海藻酸钠和陶粒置于水中搅匀，制得琼脂凝胶体系，其中水为煮沸的自来水；
(2)将步骤(1)制备的琼脂凝胶体系挤入质量体积浓度为0.5～2％的CaCl2溶液造粒成型，至少静置固化12h，制得初品；
(3)用水将步骤(2)的初品洗涤2次以上，切成直径为2～3mm、长为3～6mm的颗粒。
其中，步骤(2)中，CaCl2溶液的质量体积浓度为1％。
上述的琼脂凝胶颗粒在受硝酸盐污染的水源水生物脱氮工艺中的应用。
水源水生物脱氮工艺系统，包括琼脂凝胶反应器和曝气生物滤池。所述的琼脂凝胶颗粒置于琼脂凝胶反应器中，受硝酸盐污染的水源水由琼脂凝胶反应器底部进水，经过琼脂凝胶颗粒填料床后从溢流堰流出，首先利用水源水中的微生物进行自然接种，培养至具有一定的反硝化能力后在一定的反硝化条件下进行水源水生物脱氮工艺运行，琼脂凝胶反应器的出水经过曝气生物滤池处理后，进入常规的饮用水处理系统。
所述的一定的反硝化能力为硝酸盐氮容积去除负荷达到36mg/(L·d)，硝酸盐氮容积去除负荷是指在连续运行条件下单位体积琼脂凝胶颗粒填料床在单位时间内所能去除的硝酸盐氮的量。所述的一定的反硝化条件为：进水硝酸盐氮浓度为不高于60mg/L；HRT为1.5～9.5h。优选：在所述的水源水中添加磷酸氢二钾，使进水中TP浓度为0.60～0.90mg/L。
曝气生物滤池中用的陶粒粒径为Φ1.5～2.5mm。
琼脂的主要组分是琼脂糖，不溶于冷水，加热到70℃以上可溶解于热水。同时琼脂不易被微生物利用，故被广泛用做微生物培养基。因此以琼脂凝胶作为一种缓释固体碳源在理论上是可行的，使用过程中不易引起二次污染。微生物以琼脂凝胶为载体生长繁殖并形成生物膜，生物膜上的反硝化细菌利用琼脂凝胶水解后的产物作为碳源和电子供体，将硝酸盐还原为氮气，从而实现水源水中硝酸盐的去除。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明具有琼脂凝胶颗粒成分较简单、制备容易，系统适应性强、运行稳定、操作简单、易于维护，可获得90％以上的硝酸盐氮去除率及超过300mg/(L·d)的硝酸盐氮容积去除负荷，不产生二次污染等优点，克服了现有水源水生物脱氮工艺硝酸盐氮去除率不高、水力停留时间长、碳源投加量不易控制、出水有机质偏高等缺点。
附图说明
图1为本发明的受硝酸盐污染的水源水生物脱氮工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的解释。
如图1所示，为本发明的受硝酸盐污染的水源水生物脱氮工艺系统。该工艺系统主要包括水源水箱1、琼脂凝胶反应器进水泵2、曝气生物滤池进水泵7、琼脂凝胶反应器3、曝气生物滤池9、储水箱6、集水箱8、气体流量计13和空气压缩机14、琼脂凝胶反应器排泥口5和曝气生物滤池排泥口11。在琼脂凝胶应器3内装有预先制备好的琼脂凝胶颗粒4，在曝气生物滤池9中设有陶粒滤床10和砂芯曝气头12。水源水箱1中的受硝酸盐污染的水源水经过琼脂凝胶反应器进水泵2打入琼脂凝胶反应器3内，从下部进入，经过琼脂凝胶颗粒4的填料床，先经历一段时间的挂膜过程，在挂膜过程中启动出水回流泵15，琼脂凝胶反应器3的部分出水通过回流管16重新回到琼脂凝胶反应器3内，然后进行一定的反硝化条件下的反硝化反应，反硝化出水从琼脂凝胶反应器3顶部流入储水箱6，然后通过曝气生物滤池进水泵7打入曝气生物滤池9，从底部进入，经过陶粒滤床10，进行生物氧化反应，使最终出水的COD、CODMn和NO2 --N等得到有效控制，获得合格的饮用水源水。
以下各实施例所使用的琼脂和海藻酸钠均为国药集团化学试剂有限公司生产的产品，琼脂为琼脂粉，生化试剂BR；海藻酸钠为化学纯CP。其他试剂和产品均为常规产品。
实施例1
琼脂凝胶颗粒，包括以下重量份数的各组分：琼脂10份、海藻酸钠1份、粒径为35～60目的陶粒5份，水100份。通过以下步骤制备：分别称取琼脂10份、海藻酸钠1份、粒径为35～60目的陶粒5份，加入100份水，其中水为沸水，混合均匀，转移至针筒中，然后挤至质量体积浓度(m/V)为1％的氯化钙溶液中，成型，静置固化至少12h，用水洗涤2遍以上，充分干燥表面水份，将其切成直径为2～3mm、长为3～6mm的颗粒备用。
琼脂凝胶反应器3的启动：将制备好的琼脂凝胶颗粒装入琼脂凝胶反应器3中，琼脂凝胶反应器3装满硝酸盐氮浓度为50.89mg/L的水源水，静置5天后改为连续进水，水力停留时间(HRT，基于琼脂凝胶颗粒填料床的体积，下同)为9.5h，启动完成时的硝酸盐氮容积去除负荷平均为69.0mg/(L·d)。启动后，琼脂凝胶反应器3在控温24～26℃，HRT为7.1h，进水TP浓度为0.020mg/L的条件下连续运行，去除水源水中的硝酸盐，硝酸盐氮去除率平均为76.25％，运行结果如表1所示。
琼脂凝胶反应器3的出水经过曝气生物滤池9处理后流入集水箱8。曝气生物滤池9在温度为24～26℃，HRT(基于陶粒滤床的体积，下同)为30min，气水比为2∶1的条件下连续运行，最终出水水质如表1所示。
表1处理系统运行效果
| 项目 | NO3 --N | NO2 --N | COD | CODMn | NH4 +-N |
| 琼脂凝胶反应器进水浓度平均(mg/L) | 24.74 | 0.072 | 9.14 | 3.29 | 0.38 |
| 琼脂凝胶反应器出水浓度平均(mg/L) | 5.86 | 0.387 | 16.57 | 0.52 | |
| 曝气生物滤池出水浓度平均(mg/L) | 6.95 | 未检出 | 7.33 | 2.87 | 0.33 |
实施例2
改变实施例1中琼脂凝胶反应器3的进水硝酸盐氮浓度平均为60.60mg/L，HRT为9.5h，其它条件同实施例1，此时，琼脂凝胶反应器3出水硝酸盐氮浓度平均为8.58mg/L，硝酸盐氮去除率平均为85.72％。
实施例3
改变实施例1中琼脂凝胶反应器3的进水硝酸盐氮浓度平均为42.96mg/L，其它条件同实施例1，此时，琼脂凝胶反应器3出水硝酸盐氮平均为22.94mg/L，硝酸盐氮去除率平均为46.67％。
实施例4
琼脂凝胶颗粒，包括以下重量份数的各组分：琼脂8份、海藻酸钠5份、粒径为35～60目的陶粒1份，水100份。制备步骤同实施例1，其中，氯化钙溶液的质量体积浓度(m/V)为0.5％。
琼脂凝胶反应器3的启动：控温24～26℃，进水硝酸盐氮浓度平均为49.71mg/L，进水TP浓度为0.012mg/L，以HRT为45min运行5h后停止进水，静置4h，然后再以HRT为6.0h的条件连续进水，同时以回流∶进水流量比1∶1回流，启动完成时的硝酸盐氮容积去除负荷平均为82.6mg/(L·d)。
启动后，琼脂凝胶反应器3在温度为24～26℃，进水硝酸盐氮浓度平均为24.27mg/L，进水TP浓度为0.028mg/L，HRT为6.0h的条件下连续运行，去除水源水中的硝酸盐，硝酸盐氮去除率平均为55.32％，处理前后水质变化如表2所示。
表2琼脂凝胶反应器进出水状况
| 项目 | NO3 --N | NO2 --N | COD |
| 琼脂凝胶反应器进水浓度平均(mg/L) | 24.27 | 0.121 | 9.02 |
| 琼脂凝胶反应器出水浓度平均(mg/L) | 10.81 | 1.460 | 18.68 |
实施例5
在实施例4的进水中添加磷酸氢二钾，使得TP浓度为0.70～0.90mg/L，同时进水硝酸盐氮浓度平均为23.88mg/L，其他条件同实施例4，此时，硝酸盐氮去除率平均为99.85％。
实施例6
在实施例4的进水中添加磷酸氢二钾，使得TP为0.60～0.90mg/L，琼脂凝胶反应器3在温度为24～26℃，进水硝酸盐氮浓度平均为24.38mg/L，HRT为2.0h的条件下连续运行，硝酸盐氮去除率平均为99.61％，出水COD平均为37.40mg/L。
琼脂凝胶反应器3的出水经过曝气生物滤池9处理后流入集水箱8。在温度为24～26℃，HRT为45min，气水比为2∶1的条件下连续运行，曝气生物滤池9出水水质如表3所示。
表3曝气生物滤池出水水质
| 项目 | NO3 --N | NO2 --N | COD | CODE | NH4 +-N |
| 曝气生物滤池出水平均(mg/L) | 0.82 | 未检出 | 13.29 | 4.27 | 0.28 |
从整个工艺系统最终出水的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、COD、高锰酸盐指数、氨氮等指标来看，出水水质符合地表水环境质量标准(GB 3838-2002)中II类水体的水质要求。
实施例7
在实施例4的进水中添加磷酸氢二钾，使得TP为0.60～0.90mg/L，在温度为24～26℃，进水硝酸盐氮浓度平均为25.22mg/L，HRT为1.5h的条件下，琼脂凝胶反应器3的硝酸盐氮去除率平均为82.45％，但硝酸盐氮容积去除负荷高达329.8mg/(L·d)。
实施例8
琼脂凝胶颗粒，包含包括以下重量份数的各组分：琼脂5份、海藻酸钠1份、粒径为35～60目的陶粒5份，水100份。制备步骤同实施例1，其中，氯化钙溶液的质量体积浓度(m/V)为2％。
琼脂凝胶反应器3的启动：控温24～26℃，进水硝酸盐氮浓度为49.71mg/L，TP浓度为0.012mg/L的水源水，以HRT为45min运行5h后停止进水，静置4.0h，然后再以HRT为6.0h的条件连续进水，同时以回流∶进水流量比1∶1回流，启动完成时的硝酸盐氮容积去除负荷平均为31.4mg/(L·d)。
启动后，在进水中添加磷酸氢二钾，使TP浓度为0.60～0.90mg/L，琼脂凝胶反应器3在温度为24～26℃，进水硝酸盐氮浓度为24.38mg/L，HRT为2.0h的条件下连续运行，硝酸盐氮去除率平均为93.53％。
Claims (2)
1.琼脂凝胶颗粒在受硝酸盐污染的水源水生物脱氮工艺中的应用，其特征在于：所述的琼脂凝胶颗粒包括以下重量份数的各组分：琼脂5～10份，海藻酸钠1份，粒径为35～60目的陶粒5份和水100份；
所述的琼脂凝胶颗粒由以下步骤制成：
(1)称取各组分，将琼脂、海藻酸钠和陶粒置于水中搅匀，制得琼脂凝胶体系，其中水为煮沸的自来水；
(2)将步骤(1)制备的琼脂凝胶体系挤入质量体积浓度为0.5～2％的CaCl2溶液造粒成型，至少静置固化12h，制得初品；
(3)用水将步骤(2)的初品洗涤2次以上，切成直径为2～3mm、长为3～6mm的颗粒。
2.根据权利要求1所述的琼脂凝胶颗粒在受硝酸盐污染的水源水生物脱氮工艺中的应用，其特征在于：步骤(2)中，CaCl2溶液的质量体积浓度为1％。
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